化学链燃烧基于分步反应策略,利用循环载氧体传递晶格氧,可在燃烧过程中实现CO2的自富集,是一种兼顾低成本CO2捕集与高能源利用效率的新型燃烧技术。受制于焦炭气化速率慢,化学链燃烧反应器需耦合炭捕集器、添加燃料反应器的颗粒循环旁路等,其虽能大幅提高CO2捕集率与碳利用率,但复杂了反应器结构,增加了流化运行的调控难度。为此,本文寄望在简化反应器循环结构的基础上,通过优化操作策略、添加内构件等方式,改善气固反应与碳捕集效率,实现860°C下高效的化学链燃烧。本文首先基于流化床TGA,探究赤铁矿载氧体的气固反应特性,获取反应机理与动力学参数,为过程模拟提供数据支撑;其次,构建微型串行流化床,分析反应器的循环特性,探究内构件对流化行为的影响,为3k Wth塔式反应器提供设计经验;随后,通过数值模拟研究,深入探讨内构件强化气固过程的机制,优化内构件与反应器的耦合设计;最后,结合微型反应器的结构设计与反应过程的模拟分析,设计并搭建3k Wth塔式化学链燃烧装置,通过分析载氧体还原、气体产物演化与碳迁移规律,明确制约化学链燃烧效率的关键因素,探究强化CO2捕集效率与碳利用率的操作策略,并阐明反应器结构与流化条件对载氧体寿命的影响。流化床TGA可在流化条件下,对物质重量的变化实现精确测量,开创了研究气固过程规律的新篇章。流化床TGA的敏感性高,在测量中需避免变更操作温度与流化气速,且较高的流化风速也会破坏测量的稳定性。研究结果表明,赤铁矿Fe2O3-Fe3O4阶段的晶格氧活性高,需以较高的流化气速(U~36 Umf),方可消除CH4、CO反应过程中气体外扩散的影响;而对强还原性气体H2而言,在流化床TGA适用工况内,仅能实现动力学控制与扩散控制并存的反应条件。赤铁矿载氧体与CO、CH4以及O2的反应过程与缩核模型相吻合,其中CO还原反应级数、活化能为0.9和58.89k J/mol,CH4还原反应级数、活化能分别为0.5和122.61k J/mol,O2氧化反应级数、活化能分别为1和25.75k J/mol。零阶反应模型适用于表征存在扩散影响的反应过程,其拟合得出的H2还原反应级数为1,活化能为31.97k J/mol。微型串行流化床仅需装填350g的赤铁矿载氧体,即可满足化学链燃烧运行对载氧体床料量的需求,显著降低了合成载氧体的研发成本与周期。实验结果表明,微型串行流化床运行平稳有序,可通过物料分布与颗粒循环速率的协同匹配,实现独立灵活的循环流化。返料器物料输送具有间隙性,使得下降管内物料的堆积高度出现周期性波动,对反应器的自平衡过程造成延迟;提高下降管的物料高度和返料器的松动风量,可增加物料输送的连续性,提高颗粒的循环速率。在反应器内耦合隔板内构件,可重构反应器上部的气固流动,增加气固分布的均匀性,并强化密相区的气体扩散条件。同时,内构件能有效抑制了节涌尺寸与其持续时间,并将反应器下部的节涌演化为固相静止的渗流,减少了气固相际的传质阻力。此外,内构件虽可显著延长颗粒的停留时间,但对颗粒升流存在阻碍,降低了颗粒的循环速率。本文结合了Kunii-Levenspiel（K-L）鼓泡床模型与能量最小多尺度（EMMS）理论,以耦合内构件的燃料反应器为对象,构建了1.5维度的数值模型,用以探究强化气固反应的有效方式。数值计算的结果表明,气泡行为是影响鼓泡床气固反应效率的关键,大尺寸气泡不仅削弱了密相区内气固的反应强度,而且降低了气泡相向乳化相的传质速率,使得密相区上部的反应速率比底部区域低数十倍。安装隔板内构件可破碎气泡,将大尺寸气泡所在的低效反应区转变为高效反应区,但同时也减少了床料量与循环速率,降低了气固反应速率。当燃料反应器内耦合3个内构件时,气体转化效率达到峰值,比无内构件鼓泡床的气体转化率提高约91%。维持密相区高度不变,增加稀相区的高度,可在一定程度内提高气体转化量,最佳密/稀相区高度比为2.93;内构件的安装高度也可改变颗粒循环速率与气泡尺寸的轴向分布,其最佳安装位置为燃料反应器高度的4/5处。基于微型反应器结构与模拟研究,本文设计并搭建了一台3kWth塔式化学链燃烧装置,其燃料反应器内置4个隔板内构件,形成5级流化腔室的分层结构。本文以赤铁矿为载氧体、小龙潭褐煤为燃料,在860°C～870°C反应温度内,通过优化操作策略,提高3k Wth塔式装置的化学链燃烧性能。得益于内构件对气固反应的强化,3k Wth塔式装置具有高效的气体转化能力,燃料反应器下部三个腔室即可转化80%以上的可燃气体,装置出口的额外需氧率仅为3.6%。通过腔室的取样分析可知,若需进一步降低燃料反应器出口的未燃尽气体浓度,应着重改善CH4转化效率,且相比于载氧体床料量,应优先提高载氧体的循环速率。由于缺乏炭捕集器与内循环旁路,燃料反应器的颗粒停留时间较短（约为96秒）,3k Wth塔式装置对CO2的捕集能力不足,在860°C时仅能实现65.6%的CO2捕集效率。通过碳迁移路径可知,煤炭热解在下部两个腔室内即可完成,上部三个腔室均为煤焦气化,在单个高度为250mm的流化腔室内,仅有8%的焦炭实现气态转化;若需强化装置的CO2捕集能力,应侧重于提升煤焦气化速率并延长焦炭颗粒的停留时间。掺混Ni基载氧体虽未能显著改善CO2捕集效率,但提高了晶格氧活性,大幅降低了装置出口的额外需氧率。提高炉内水蒸气浓度,可在一定范围内提高焦炭的气化速率,并增强水汽重整反应,降低反应器出口的CH4浓度。在燃料反应器提升管底部引入二次流化风,并优化流化风的分级配比,可将颗粒的停留时间提升至280秒,为无二次风运行的3倍,且旋风分离器达到高效分离的工作区间,进而有效强化了化学链燃烧过程,在870°C下可实现80%的CO2捕集效率、96%的碳转化效率以及3.7%额外需氧率。在塔式化学链燃烧装置中,赤铁矿载氧体的使用寿命为300～342小时,耗损颗粒以0.1-0.25mm的中段粒径为主;内构件与燃料反应器内部结构对载氧体磨损的影响较小,降低12%的燃料反应器流化风速,仅延长约1.6%的载氧体寿命;旋风分离器及其入口气速是影响载氧体寿命的关键,高速运行的旋风分离器显著加剧了颗粒磨损,使得损耗颗粒以小于0.1mm的细微颗粒为主。对于旋风分离器的操作优化而言,存在载氧体耗损率与焦炭捕集效率之间的博弈,提高旋风分离器入口气速虽能强化焦炭的利用率,但严重增加了化学链燃烧的运行成本。